引言

在難加工材料上加工精密深孔，歷來都是機(jī)械加工中的難點之一。長期以來，較為普遍的方式為采用鉆原擴(kuò)原鉸的工藝。以后雖有槍鉆、BTA 鉆、噴吸鉆等深孔加工工具和方法，在加工效率和加工質(zhì)量上有所進(jìn)步，但是如斷屑、排屑、刀具磨損過快等問題仍然存在，依舊不能滿足高精度、高質(zhì)量、高效率、低消耗的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)要求。采用振動切削深孔加工技術(shù)與交流變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，對現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤瑢ι羁准庸さ男屎途扔幸粋€明顯的提高，并且加工質(zhì)量也更為穩(wěn)定。

1、變頻器調(diào)速原理

變頻器是多種技術(shù)和理論綜合發(fā)展的產(chǎn)物，一般包括主電路、控制、檢測和保護(hù)等部分。主電路部分包括整流、濾波穩(wěn)壓、逆變等三部分，還留有直流平波電抗器、制動電阻、制動單元等接口。控制部分一般包含數(shù)字信號處理器和（或）高速微控制器，它們共同完成控制算法的實現(xiàn)、控制的動態(tài)調(diào)節(jié)、PWM控制信號的輸出。監(jiān)測部分包括對電壓、電流、溫度等變量的檢測，并判斷是否超過設(shè)定值以便進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)。一般所說的變頻器是指適用于工業(yè)通用電機(jī)和一般變頻電機(jī)，并由一般電網(wǎng)供電（單相220V/50Hz、三相380V/50Hz）作調(diào)速控制的通用變頻器。此類變頻器由于工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用已成為變頻器的主流。

將交流變成直流，經(jīng)過平滑濾波，再經(jīng)過逆變電路，把直流變成不同頻率的交流。使電動機(jī)獲得無級調(diào)速所需要的電壓、電流、頻率。這種變頻器叫交-直-交變頻器，交-直-交變頻器比較好的是采用雙極性正弦波脈寬調(diào)制方法進(jìn)行控制。這種脈動轉(zhuǎn)矩小，擴(kuò)展了調(diào)速范圍,提高了調(diào)速性能，因此，在數(shù)控機(jī)床的交流驅(qū)動中得到了廣泛應(yīng)用。

2、振動切削深孔加工的基本原理

振動切削深孔加工也就是通常說的振動鉆削，它是把振動切削技術(shù)應(yīng)用于鉆孔加工，在傳統(tǒng)深孔加工的基礎(chǔ)上，給刀具附加一定頻率和振幅的有規(guī)律振動，刀具一邊進(jìn)給、一邊振動的同時完成鉆削作業(yè)，將使切削厚度產(chǎn)生周期變化，達(dá)到控制切削形狀和大小的目的，從而有效地解決了深孔加工中的斷排屑難題，是改善深孔加工質(zhì)量，提高加工效率的一種先進(jìn)的工藝方法。該方法針對加工材料和不同鉆孔規(guī)格，只要對主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量s 、振動振幅a 和頻率f 進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇和匹配，既可有效地控制切屑的形狀和大小，滿足斷續(xù)切削的要求。理論斷屑公式如式（1）所列，即

根據(jù)這一理論，對機(jī)床進(jìn)行振動深孔鉆鏜床的改造，把先進(jìn)的振動切削深孔加工技術(shù)與交流變頻調(diào)速技術(shù)有效地結(jié)合起來，形成一種專用的精密深孔加工系統(tǒng)，解決孔徑小于60mm、孔深達(dá)到4000mm、長徑比L/D大于70 的非回轉(zhuǎn)類零件深孔加工中存在的問題。

3、振動切削深孔加工對機(jī)床改造的要求

一般深孔加工由于加工材料、孔深、孔徑大小不同，也就有不同的刀具和不同的切削速度的要求。所以，為了滿足生產(chǎn)企業(yè)日益廣泛的加工需求，就必須增大主軸電機(jī)的調(diào)速范圍，同時為了滿足振動切削的要求，振動電機(jī)的調(diào)速范圍也必須成倍擴(kuò)大。

就我國目前所使用的機(jī)床來看，主要采用變級多速三相異步電動機(jī)和在機(jī)床床頭箱內(nèi)用電磁離合器來變換齒輪達(dá)到變速的目的，無法實施精度較高的恒線性控制，還不能適應(yīng)那些要求主軸轉(zhuǎn)速高低跨度大，高，中，低速兼有的零件加工需要。而對于一些采用直流調(diào)速拖動的數(shù)控機(jī)床，雖然可以實現(xiàn)無級調(diào)速，但必須經(jīng)常維護(hù)換流電刷，使用成本較高，且電機(jī)最高轉(zhuǎn)速受限制。因此，我們把變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上，通過變頻器對電機(jī)進(jìn)行直接變速傳動，可實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，減小了大電機(jī)啟動時對電網(wǎng)的沖擊；提高了功率因數(shù)，節(jié)能效果顯著；提高了加工效率和精度。

要采用振動深孔鉆削，就需要對深孔鉆鏜床或者對普通機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑觳拍艿靡詫崿F(xiàn)。若對普通車床進(jìn)行改造，就需要在原車床的基礎(chǔ)上增加振動裝置、授油器、供油系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等四大部件。若對深孔鉆鏜機(jī)床進(jìn)行改造時，則只需增加振動裝置和控制系統(tǒng)，其它部位稍作改動即可。其中，電氣控制系統(tǒng)是實現(xiàn)振動深孔鉆削的核心部件。

4、控制系統(tǒng)的原理

根據(jù)振動切削理論斷屑公式，在進(jìn)給量s和振動振幅a為定值時，要使式（1）成立，必須使振動頻率f 和主軸轉(zhuǎn)速n 保持特定的比例，頻轉(zhuǎn)比的控制是整個控制系統(tǒng)的核心，它的性能直接決定著斷屑效果和加工過程的平穩(wěn)性。為了滿足振動切削深孔加工的高精度要求，確保加工過程中頻轉(zhuǎn)比保持相對穩(wěn)定，必須采用以主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為給定量，使振動軸的轉(zhuǎn)速作為反饋量的電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。一般情況下，調(diào)速系統(tǒng)都采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，但是通用變頻器本身有限流保護(hù)，所以采用速度單閉環(huán)控制，不但結(jié)構(gòu)簡單，而且可取得良好的綜合性能指標(biāo)。

本系統(tǒng)采用如圖1所示的控制方案，通過測速傳感器檢測主軸轉(zhuǎn)速n 和振動轉(zhuǎn)速f，與事先設(shè)定好的速度比率（即頻轉(zhuǎn)比參數(shù)）k=f/n 進(jìn)行比較，通過PI調(diào)節(jié)，再將比較的差值轉(zhuǎn)換成PWM電壓信號發(fā)送給變頻器，通過變頻器對振動電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使其跟隨主軸電機(jī)在不同的切削負(fù)荷下轉(zhuǎn)速的變化，從而使f/n 維持設(shè)定比例k，保證數(shù)控車床的加工精度和穩(wěn)定性。

圖1 控制系統(tǒng)工作原理圖
5、控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)是由頻轉(zhuǎn)比控制器（80196KC單片機(jī)）、變頻器和交流電機(jī)三個重要部分組成，如圖2 所示。在該系統(tǒng)中，頻轉(zhuǎn)比控制器通過檢測主軸轉(zhuǎn)速和振動轉(zhuǎn)速，按設(shè)定的頻率轉(zhuǎn)速比，通過控制交流電機(jī)變頻調(diào)速器的外部電壓控制端來調(diào)節(jié)振動電機(jī)速度，從而保證維持設(shè)定的頻轉(zhuǎn)比值。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其中主電機(jī)帶動一級同步齒形帶傳動，帶動主軸（刀具）旋轉(zhuǎn)，振動電機(jī)驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)主軸（刀具）的軸向振動，當(dāng)主電機(jī)運轉(zhuǎn)時，主軸電機(jī)與振動電機(jī)均由變頻器控制實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速和振動頻率的無級調(diào)節(jié)，且振動電機(jī)與主軸電機(jī)之間運轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制，即通過控制器設(shè)定比率控制振動電機(jī)頻率；振動振幅采用雙偏心機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，可根據(jù)所選進(jìn)給量的大小來調(diào)節(jié)。

根據(jù)主軸電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1000r/s的要求，該控制系統(tǒng)頻轉(zhuǎn)比率應(yīng)在0.00~5.00之間無級可調(diào)。在電機(jī)傳動中，為了保持調(diào)速時電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，該系統(tǒng)必須保持頻率和電壓之比為常數(shù)。在出現(xiàn)異常情況下，系統(tǒng)必須具備應(yīng)急故障處理功能和發(fā)出報警顯示。